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Java并发编程实战————Semaphore信号量的使用浅析

时间：2020-07-03 03:49:23

引言

本篇博客讲解《Java并发编程实战》中的同步工具类：信号量的使用和理解。

从概念、含义入手，突出重点，配以代码实例及讲解，并以生活中的案例做类比加强记忆。

什么是信号量

Java中的同步工具类信号量即计数信号量（Counting Semaphore），是用来控制访问某个特定资源的操作数量，或同时执行某个指定操作的数量。可以简单理解为信号量用来限制对某个资源的某种操作的数量。

一般用于实现某种资源池，或对容器施加边界。

信号量管理着一组有限个数的虚拟许可（permit），而许可的数量就是限制特定操作数量的关键。

信号量的使用

前面已经说过，信号量一般用于实现某种资源池或对容器施加边界，这都是一个对特定操作的限制用途。那么想象一下，如何限制操作的数量，达到为一个再普通不过的容器施加边界的效果呢？答案是给容器的某种操作（可以是添加或删除元素，应该广义的理解“某种操作”这个关键字眼）增加一道执行许可，只有在获得许可的情况下才可以执行这个操作：

上图左边是普通的对容器的操作，右边是有了信号量的对容器的操作。可以看出，在增加了中间的信号量之后，对容器的操作将会受限。

Semaphore

了解了信号量的大概含义，那么进一步深入到Java类库的层面，JDK为开发者提供了java.util.concurrent包下的Semaphore类，它的含义就是上面所述的信号量，管理着一组permit。

以“为容器施加边界”这一信号量用途为例。首先我们要明确一点，使用信号量的方式来实现施加边界的方式，其针对的是操作而不是容器的容量！再一次重申，是限制了操作，而不是容器的容量！

强调限制操作，是为了要明白一点：使用信号量来施加边界，必然会对这个容器的某些操作进一步封装。比如添加方法，就会在调用add之前先行调用Semaphore对象的acquire()方法，在与这个操作相反的操作中去release()。并且，acquire()方法是阻塞式的，这就代表没有闲置许可的时候，操作将会阻塞直到有许可被释放。

下面代码用信号量来对HashSet这个最普通的容器来施加一个添加限制，进一步封装，使其成为一个有界的阻塞式的容器。

public class BoundedHashSet<T> {private final Set<T> set;private final Semaphore sem;public BoundedHashSet(int bound) {this.set = Collections.synchronizedSet(new HashSet<>());this.sem = new Semaphore(bound);}public boolean add(T o) throws InterruptedException {sem.acquire();boolean wasAdded = false;try {wasAdded = set.add(o);return wasAdded;} finally {if (!wasAdded)sem.release();}}public boolean remove(Object o) {boolean wasRemoved = set.remove(o);if (wasRemoved)sem.release();return wasRemoved;}/** 只是为了方便打印的 */public void print() {System.out.print(Thread.currentThread().getName() + " : ");this.set.forEach(o -> System.out.print(o + " "));}/** 用于测试的主方法 */public static void main(String[] args) {BoundedHashSet<String> names = new BoundedHashSet<>(5);new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 100; i++) {try {names.add("name" + i);names.print();System.out.println();TimeUnit.SECONDS.sleep(1);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}}, "TH-ADD").start();new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 100; i++) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "--------执行清理，删除name" + i);names.remove("name" + i);try {TimeUnit.SECONDS.sleep(10);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}},"TH-REMOVE").start();}}

执行结果如下：

我们用一个线程为这个“有界”容器每隔1秒钟添加一个元素，然后另一个线程每隔10秒钟移除一个元素。且初始化了这个容器的信号量为5，那么当容器中添加元素的数量达到5之后，5个许可全部被占用，添加操作将进入阻塞状态，直到remove的时候释放一个许可，才可以继续添加元素。从上述结果可以看出两点：

1、拥有5个许可的信号量成功的限制了容器的元素个数（即为容器施加了一个边界）；

2、添加的操作在没有获得许可的情况下将进入阻塞状态，在执行的过程中也恰恰印证了这一点：当remove执行并release()之后，添加操作会立刻执行。